Теплообменники энергетических установок

Теплообменники энергетических установок (ТОА) используются в целях осуществления различных тепловых процессов (нагревание, охлаждение и т.п.), направленных как на повышение эффективности использования теплоты в энергетических установках, так и на выполнение производственных нужд.

Теплообменный аппарат состоит из теплопередающей части, в которой через рабочую поверхность передаётся теплота, и коллекторов входа-выхода из неё, в которых теплообмен не происходит, но они необходимы для организации потоков теплоносителя в зоне теплообмена.

По назначению ТОА энергетических установок подразделяются на воздухоподогреватели, воздухоохладители, маслоохладители, теплофикационные и сетевые подогреватели воды. По способу передачи теплоты между теплоносителями ТОА подразделяются на контактные и поверхностные. В контактных аппаратах теплообмен происходит при непосредственном контакте теплоносителей при их смешении. Например, при регенеративном подогреве питательной воды в схеме ПТУ часть пара из турбины подаётся в специальный теплообменник, в котором при смешении с потоком конденсата, подаваемого из конденсатора, подогревает его, и конденсируется.

В поверхностных аппаратах теплоносители разделены стенкой их конструкции, через которую и реализуется теплопередача, т.е. теплообмен осуществляется через рабочую поверхность ТОА [3].

По схеме течения теплоносителей ТОА делятся на аппараты с параллельным (прямо- и противотоком) и перекрёстным токами, которые могут быть как одноходовыми, так и многоходовыми.

При конструировании ТОА выполняют их проектный расчёт [3]. В основе расчёта заложены уравнения, записанные как условия сохранения теплоты (сколько теплоты отдаёт первичный теплоноситель, столько её же получает вторичный теплоноситель). При известных расходах теплоносителей с использованием их теплоёмкостей уравнение сохранения теплоты позволяет рассчитать изменение температуры теплоносителей или по заданному изменению температуры становится возможным определить необходимый расход теплоносителя:

Q = c_p1G₁dT₁ = c_p2G₂dT₂, (3.1)

где c_p – теплоёмкость, G – массовый расход, dT = Т_вых – Т_вх – изменение температуры теплоносителей в аппарате.

Для определения размеров рабочей поверхности ТОА используется уравнение теплопередачи через стенку аппарата [3]:

Q = к DT F_w, (3.2)

где к – коэффициент теплопередачи, DT – осреднённый температурный напор теплопередачи как разность температур теплоносителей, F_w – размер рабочей поверхности ТОА.

Формулы (3.1) и (3.2) связывают термодинамику теплообмена теплоносителей с закономерностями процесса теплопередачи между ними.

Задачей проектирования ТОА является обеспечение минимального размера его рабочей поверхности F_w при заданной величине теплового потока Q и температурного напора DT за счёт мер, направленных на повышение коэффициента теплопередачи (3.2), т.е. интенсификацией теплообмена между теплоносителями.

Основные понятия, определения и формулы расчёта теплопередачи в ТОА рассмотрим на простейшей его схеме “труба в трубе”. Полный алгоритм расчёта ТОА с использованием программы численного анализа, выполненной в среде MATLAB, приведён в [3].

3.2.1. Теплообменный аппарат “труба в трубе”

Теплообменный аппарат “труба в трубе” является простейшим теплообменником поверхностного типа, в котором реализуется теплопередача между двумя теплоносителями (рис. 5.4). По центральному каналу (по трубе 1) с диаметром d течёт, как правило, горячий теплоноситель с массовым расходом G₁ и температурой Т^/₁ на входе. По периферийному каналу кольцевого поперечного сечения, образованному внешней трубой диаметром D течёт холодный теплоноситель с параметрами G₂ и Т^/₂. Если направления движения теплоносителей совпадают, схему течения называют прямотоком, в противном случае – противотоком.

В силу разности температур между теплоносителями возникает теплообмен через разделяющую их стенку, т.е. теплопередача с потоком теплоты Q. При этом вдоль по поверхности теплообмена теплосодержание и температура горячего теплоносителя убывают, а холодного - возрастают. Характерное изменение температуры теплоносителей показано на рис. 5.4 сплошными линиями Т₁(х) и Т₂(х), стрелками на линиях обозначают направление тока теплоносителя. Штриховой линией показана функция Т₂(х) в случае противотока теплоносителей.

В результате теплообмена температура горячего теплоносителя на выходе из ТОА меньше, чем на входе, Т^//₁ < Т^/₁, а холодного теплоносителя Т^//₂ > Т^/₂. В случае прямотока вполне очевидно (из принципа теплообмена), что Т^//₂ < Т^//₁, и эта разность будет убывать с увеличением длины ТОА. Однако в случае противотока возможно соотношение Т^//₂ > Т^//₁, т.е. режим противотока может обеспечить при определённых условиях нагрев холодного теплоносителя до более высокой температуры.

Поперечные размеры трубы задаются её внутренним d₁ и внешним d₂ диаметрами, определяющими толщину её стенки d = 0,5(d₁ + d₂). При расчётах часто используется средний диаметр теплопередачи d = d₁ + d. Обычно d₁ >> d, так что d » d₁, это позволяет рассматривать теплопередачу через цилиндрическую стенку трубы как через плоскую стенку, используя при этом более простые соотношения в расчёте [3]. В частности, термические сопротивления, обуславливающие коэффициент теплопередачи в (3.2), будут иметь следующий вид:

, (3.3)

где 1/a₁ и 1/a₂ – термические сопротивления теплоотдачи на поверхностях стенки, d/l_w – термическое сопротивление теплопроводности стенки.

Обычно для ТОА d/l_w << 1/a₂ < 1/a₁, при этом коэффициент теплопередачи ТОА определяется меньшим по величине значением коэффициента теплоотдачи (в нашем примере это a₁).

Коэффициенты a₁ и a₂ в (3.3) рассчитывают с использованием критериальных уравнений теплоотдачи, вид которых зависит от режима течения теплоносителя и формы канала, эти уравнения приведены в справочниках по теплопередаче [3].

Температурный напор DТ_х в аппарате “труба в трубе” сложным образом изменяется вдоль по поверхности теплообмена (рис. 5.4) как разность между локальными (местными) значениями температуры теплоносителей (эта разность показана вертикальными линиями, проведённым между функциями распределения температуры теплоносителей Т₁(х) и Т₂(х). Для расчёта теплового потока, передаваемого в аппарате и определяемого по формуле (3.2), вводят осреднённое значение температурного напора, определяемое по напорам на входе DТ^/ = Т^/₁ - Т^/₂ и выходе DТ^// = Т^//₁ - Т^//₂ из аппарата. Чаще всего используют формулу среднелогарифмического температурного напора:

. (3.4)

Рабочая поверхность ТОА F_w в (5.2) определяется как боковая поверхность трубы длиной l, рассчитанная по её среднему диаметру F_w = pdl. Для реализации передачи повышенного значения теплового потока (3.2) рабочая поверхность ТОА должна быть достаточно большой. При этом в системе “труба в трубе” длина рабочей поверхности оказывается чрезмерной. В таком случае возможно использование многосекционной схемы “труба в трубе”, показанной на рис. 5.4 (секций может быть и больше, чем две). При этом рабочая поверхность ТОА определяется как F_w = pdlп, где п – количество секций. Cкругления трубы при этом в размер рабочей поверхности не входят, так что их наличие существенно увеличивает металлоёмкость и экономическую стоимость аппарата.

Вместе с тем теплообменники, выполненные по схеме “труба в трубе” обладают при прочих равных условиях максимальной величиной коэффициента теплопередачи, так как в этом случае весь расход теплоносителя, как первого, так и второго, прокачивается в неразветвленных каналах. Это обстоятельство приводит к максимальной интенсивности теплообмена, что делает возможным уменьшать размер рабочей поверхности аппарата.

Так как в энергетических системах расходы теплоносителей весьма велики (3.1), прокачка их в теплообменнике “труба в трубе” вместе с повышенной интенсивностью теплопередачи приводит к недопустимо большим потерям давления в каналах, что требует повышенного расхода энергии на привод насосов или компрессоров, прокачивающих теплоносители [3]. По этим причинам в энергетических системах повышенной мощности используют иные схемы теплообменников, прежде всего, кожухотрубные аппараты.